一种边沟夯实的动态优化施工方法与流程

本技术涉及边沟夯实，更具体地说，涉及一种边沟夯实的动态优化施工方法。

背景技术：

1、在土木工程和基础设施建设中，边沟是用于排水和防止水土流失的重要结构。边沟的质量和稳定性直接影响到道路、堤坝等工程的整体性能。传统的边沟施工方法常常依赖于经验和简单的工程计算，存在夯实效果不均匀、边坡稳定性差、回填土侧向流失等问题，难以满足现代工程对高质量和高效率的要求。

2、近年来，振动夯实技术因其能够显著提高回填土密实度和稳定性，逐渐在边沟施工中得到应用。然而，边坡和回填土在振动夯实过程中相互影响，振动能量分布不均匀，导致不同区域的夯实效果存在差异，特别是边坡区域的夯实难度较大，容易产生变形和流失。此外，施工过程中缺乏对边坡稳定性和回填土密实度的实时监测和动态调整手段，难以及时发现和解决施工问题，影响施工质量和效率。

3、综上所述，如何解决传统施工方法中的诸多难题，并在复杂地质条件下实现高效、稳定的边沟夯实施工，为土木工程施工提供了新的技术途径，已经成为亟须解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的一系列缺陷，本技术的目的在于针对上述问题，提供一种边沟夯实的动态优化施工方法，包括以下步骤：

2、步骤1，基于数值模拟分析，预测边坡与回填土在振动夯实作用下的相互影响，评估边坡可能产生的变形及回填土的侧向流失程度，据此将边沟区域划分为多个分区分层；

3、步骤2，先在中央底部区域进行高能量振动夯实，形成夯实基底，随后逐步向两侧边坡区域扩展夯实范围，根据各分区特征调整夯实能量和工艺参数；

4、步骤3，在边沟的两侧边坡区域，通过控制冲击力方向和力度，使夯实能量有效传递至边坡区域，确保边坡区域回填土的夯实质量；

5、步骤4，实时监测边坡稳定性与回填料侧向流失情况数据，根据监测数据动态优化调整各分区的夯实参数，实现自适应分区分层控制；

6、步骤5，在完成各分区分层的振动夯实作业后，对边沟回填土的夯实质量进行全面评估。

7、进一步的，步骤1包括以下步骤：

8、步骤1.1，基于有限元数值计算方法，同时考虑土层分布、边坡形态和地下水位影响因素，建立边坡和回填土的几何模型；

9、步骤1.2，将振动夯实载荷的动力特性引入几何模型，模拟振动对边坡和回填土的作用效果；

10、步骤1.3，对数值模拟的输出结果进行深入分析，预测边坡在振动作用下产生的变形及其稳定性变化，并评估回填土在振动作用下的侧向流失倾向；

11、步骤1.4，根据预测结果，将边沟区域按照变形和流失倾向的大小，划分为若干个分区，每个分区内部的地质条件和预期响应相对均匀，并根据深度对各分区进行分层处理。

12、进一步的，边坡在振动作用下产生的变形用以下公式表示：u＝k-1f，其中，u是位移向量，即边坡在振动作用下产生的变形；k是刚度矩阵；f是振动荷载；

13、边坡的稳定性变化通过计算安全系数fos来评估，具体公式为：其中，c′为有效黏聚力；σ是法向应力；φ′是有效内摩擦角；τ是作用在滑动面上的剪应力；

14、回填土在振动作用下的侧向流失用侧向变形和剪应力来评估，具体公式为：τx＝g·γx，其中，δx是侧向变形量；vx(t′)是随时间变化的侧向速度；t′积分的变量，表示从初始时间0到某个时间的时间点；dt′表示在时间t′处的微小时间变化量；τx是侧向剪应力；g是剪切模量；γx是侧向剪切应变。

15、进一步的，步骤1.4包括以下步骤：

16、基于变形和流失倾向的空间分布特征，结合聚类分析方法，将边沟划分为若干主要分区；

17、综合考虑地质条件和预期响应特征，对分区进行优化调整，确保每个分区内部条件相对均匀；

18、对于每个分区，根据土质变化和压实难易程度因素，进行深度方向的分层；

19、制定完整的分区分层方案，为每个分区和层位分配唯一标识，并总结其关键特征；

20、建立动态调整机制，以便在施工过程中根据实际情况及时优化方案。

21、进一步的，基于变形和流失倾向的空间分布特征，结合聚类分析方法，将边沟划分为若干主要分区，包括以下步骤：

22、收集边沟区域的变形和流失倾向数据，形成一个数据集，每个数据点包含两个特征：变形特征xi和流失倾向特征yi；

23、选择k-means聚类作为聚类算法，定义聚类的目标是将数据点分成若干组，使得每组内的数据点彼此相似，即边沟区域在变形和流失倾向上相似，而组间数据点相似度低；

24、使用欧氏距离作为数据点间相似性的度量标准，聚类过程用以下目标函数表示：其中，xi是第i个数据点的特征向量，包括变形特征xi和流失倾向特征yi；μj是第j个聚类中心的特征向量；c是聚类的集合，包含所有聚类中心μj；

25、聚类完成后，每个边沟区域数据点即被分配到一个聚类中心μj所代表的分区，从而实现边沟区域的分区。

26、进一步的，深度方向的分层方法包括以下步骤：

27、根据深度将土壤分成若干层次，每一层次具有相似的夯实特性和振动响应；

28、对每一层次的特征进行量化描述，包括压实难易程度因素；

29、建立一个最优化模型，用于确定最佳的分层方案，最优化模型通过以下目标函数来描述：其中，d表示深度，即从地表到深度d的范围；xk(d)是深度d处第k层土壤的特征向量，包括压实难易程度因素的指标；xtarget是目标夯实特性的理想值；l是用于最小化目标的变量；layer(d)表示深度d处选定的土壤层次集合；

30、通过求解上述最优化问题，确定最佳的分层方案layer(d)。

31、进一步的，步骤2包括以下步骤：

32、在边沟中央底部区域布置若干振动夯实机械，并调至高振动能量水平进行夯实作业，形成中央基底层；

33、在中央基底层夯实完成后，沿边沟两侧边坡区域逐步向外扩展夯实范围；

34、根据数值模拟分析结果，对不同分区采取差异化的夯实策略：对于变形和流失倾向大的分区，适当降低振动能量，减小对边坡的不利影响；对于相对稳定的分区，适度提高振动能量，提升夯实效果；

35、调整夯实机械的布置方式与作业模式参数，以确保每个分区的夯实质量；

36、在边沟两侧边坡最外侧区域作业时，采用分层分次夯实方式，密切关注边坡稳定性，及时调整参数避免失稳。

37、进一步的，步骤3包括以下步骤：

38、在边坡区域布置具有可调振动参数的振动夯实设备，通过改变设备的布置角度、振动频率和振动力参数，将冲击力有效地传递到边坡内部的回填土层中；

39、根据各分区的地质条件和夯实要求，合理设定冲击力的大小和方向：在陡坡区域，适当增大冲击力的水平分量，使能量更多地传递到边坡内部；而在平缓区域，适当增大垂直分量，提高表层夯实效果；

40、对于一些难以直接作用的边坡区域，通过布置反射装置，利用冲击力的反射作用，间接将振动能量引导至目标区域进行夯实；

41、通过现场检测反馈，实时监控边坡区域回填土的夯实质量，及时调整冲击力的参数，确保整个边坡区域的夯实质量均能满足设计要求。

42、进一步的，步骤4包括以下步骤：

43、采用自动化监测系统，实时采集各监测点的数据，并汇总到控制中心；

44、根据监测数据分析结果，判断各分区的边坡稳定状态和回填料流失情况，对于出现异常的分区，自动调整该分区的夯实参数；

45、对于正常的分区，根据监测数据的细微变化，对夯实参数进行微调，优化夯实效果；

46、将监测数据转馈给数值分析模型，用于校正模型参数，不断提高数值模拟的准确性，为夯实参数的预先确定提供更可靠的依据；

47、通过监测数据的闭环反馈，实现全过程的自适应分区分层智能控制，最大化振动夯实的效能，确保边坡安全和回填料夯实质量。

48、进一步的，步骤5包括以下步骤：

49、使用原位测试方法在各分区、各层位进行密实度检测，确保达到设计要求；

50、采用动力触探方法，检测回填土的承载能力是否满足设计标准；

51、利用沉降观测点持续监测边坡和回填土体的变形情况，评估其长期稳定性；

52、对比实际夯实效果与步骤1中的预测结果，分析差异原因；

53、根据质量验收结果和数据分析，对夯实工艺参数和分区分层方案进行优化调整，形成更加精确的施工指导方案。

54、与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：

55、本技术提出了一种基于数值模拟和实时监测的动态优化边沟夯实施工方法，通过分区分层策略、调整振动参数、实时监控和自适应调整，实现了边沟夯实的高效性和稳定性，确保边坡安全和回填土质量。